بخشی از مقاله
چکیده
در میان سامانههای تولید برق از انرژیهای تجدیدپذیر، شیوه استفاده از مگنتوهیدرودینامیک - MHD - به دلیل تولید توان بالا، بازدهی زیاد - حدود 60 درصد - ، پاسخ مناسب به مسألهی آلودگی گرمایی و آلودگی هوا مورد توجه خاصّی قرار گرفته است. فرآیند MHD نه تنها برای تولید توان، بلکه برای سایر کاربردها مانند پیشرانش سامانههای فضایی نیز قابل استفاده است. MHD سبب پیشرفتهای عظیمی در هزینههای تولید الکتریسیته از سوختهای فسیلی به ویژه نفت و گاز شده که برای رشد اقتصاد ملّی سودآور است. در این مقاله مبانی MHD مرور شده و معادلات توان تبدیل MHD استخراج شدهاند.
1.مقدّمه
مگنتوهیدرودینامیکMHD - 1،یا دینامیک سیّالات مغناطیده - زمینهای نظری است که به مطالعهی دینامیک سیالات با خاصیت رسانایی الکتریکی میپردازد. مثالهایی از این سیالات، پلاسماها، فلزات مایع و آب شور یا الکترولیتها هستند. واژهی مگنتوهیدرودینامیک از مگنت یعنی میدان مغناطیسی، هیدرو یعنی مایع و دینامیک یعنی حرکت گرفته شده است.
مفهوم اساسی در MHD، میدانهای مغناطیسی هستند که میتوانند در سیال رسانای متحرک، القای جریان کنند که سبب ایجاد نیروهایی در سیال و همچنین تغییر در میدان مغناطیسی شود. مجموعهای از معادلات توصیفکنندهی MHD ترکیبی از معادلات ناویر استوکس از دینامیک سیالات و معادلات ماکسول از الکترومغناطیس هستند. این معادلات به صورت عددی یا تحلیلی باید به صورت همزمان حل شوند
.2 ایده تبدیل انرژی مگنتوهیدرودینامیکی
در اوایل 1831 فارادی پی برد که میتوان از یک سیال رسانا به عنوان ماده عامل در ژنراتور توان استفاده کرد. برای آزمایش این مفهوم، فارادی الکترودها را در دو انتهای پل واترلو در لندن و داخل رودخانه تایمز قرار داد و دو الکترود را از طریق یک گالوانومتر در وسط دهانه پل به یکدیگر متصل کرد. فارادی استدلال کرد که آب رسانای رودخانه که به وسیله میدان مغناطیسی زمین حرکت میکند، میبایست یکemf معکوس را ایجاد نماید. در حقیقت، انحراف غیر عادی اندک گالوانومتر مشاهده شد. تولید توان الکتریکی از طریق استفاده از سیال رسانای متحرک درون میدان مغناطیسی تولید توان مگنتوهیدرودینامیکی یا تولید توانMHD نامیده میشود
MHD .3 ایدهآل و مقاومتی
سادهترین شکل MHD یعنی حالت ایدهآل، مقاومت سیال را آن قدر کوچک فرض میکند که میتوان با آن همچون رسانای کامل رفتار کرد. این، حدّ عددِ رینولدزِ مغناطیسیِ2نامحدود است. در MHD ایدهآل، یک حجم طناب شکل کوچک سیال که خط میدان را احاطه کرده، بر خط میدان مغناطیسی باقی خواهد ماند، حتّی هنگامی که به وسیله جریان سیال در سیستم تابیده یا واپیچیده شود. ارتباط میان خطوط میدان مغناطیسی و سیال در MHD ایدهآل، توپولوژی میدان مغناطیسی در سیال را تثبیت میکند.
برای مثال وقتی مجموعهای از خطوط میدان مغناطیسی در یک گره به هم بسته شوند، تا وقتی سیال/پلاسما مقاومت ناچیز دارد، در همان حالت میمانند. این دشواری در بازاتصال3 خطوط میدان مغناطیسی این امکان را به وجود میآورد که بتوان با حرکت سیال یا منبع میدان مغناطیسی، انرژی را ذخیره کرد. اگر شرایط برای MHD ایدهآل از بین برود، انرژی در دسترس خواهد بود و به بازاتصالات مغناطیسی این اجازه را میدهد که انرژی ذخیره شده از میدان مغناطیسی را آزاد کنند.
4ملاحظات. کلّی تولید توان
تولید توان از MHD سامانه جدیدی برای تولید توان الکتریکی است که تولید انرژی مستقیم از جریان بخار گازهاییونیزهی پر سرعت را فراهم میکند، بدون این که به قسمتهای متحرک مکانیکی نیاز داشته باشد. ادعا شده که چنین سامانهای دارای بازدهی بالا و آلودگی کم است. فرآیند شامل استفاده از یک میدان مغناطیسی قوی برای ایجاد میدان الکتریکیِ عمود بر سیال رسانای درون کانال است. پدیدهی MHD در فلزات مایع مانند جیوه و سدیم یا در گازهای داغ با الکترونها و یونهای آزاد قابل تولید است.
در هر دو حالت الکترونها بسیار متحرک بوده و به آسانی میتوانند در بین اتمها و یونها حرکت کنند، ولی همواره بار خالص موضعی صفر است. به عبارت دیگر وقتی الکترونها به سادگی حرکت میکنند، هر حجم کوچکی از سیال دارای مجموع کل بار مثبت و منفی برابر است، زیرا هرگونه عدم تعادل در بار، نیروهای الکترواستاتیکی بزرگی را برای بازگردانی تعادل به وجود میآورد.
با آن که MHD برای فلزات مایع از نظر تجربی به اثبات رسیده است، بسیاری از کارهای تجربی و نظری و مطالعات کاربرد و توسعه نیروگاهها روی گازهای یونیزه شدهی دما بالا به عنوان سیال عامل1تمرکز کردهاند. متأسفانه بیشتر گازهای معمول در دماهای قابل دسترسی به کمک واکنشهای شیمیایی سوختهای فسیلی، به مقدار قابل توجه یونیزه نمیشوند. این موضوع ما را مجبور به استفاده از مقادیر کم بخار موادی میکند که به راحتی یونیزه میشوند؛ مانند فلزات قلیایی، تا با استفاده از آنها گاز داغ را بارور2کنیم. الکترونها و یونهای حاصل، گاز داغ را به رسانای الکتریکی تبدیل میکنند تا تحت تأثیر میدان مغناطیسی اعمالی قرار بگیرد.
پتانسیلهای یونیزاسیون معیاری از انرژی مورد نیاز برای آزادسازی الکترونهای ظرفیت اتم است. پتانسیل یونیزاسیون موادی مانند سزیم و پتاسیم کوچک است بطوریکه بوسیله گرمای تولید شده از واکنشهای احتراق در هوا، یونیزه میشوند.بازیافت3 مواد ریزدانهای خروجی از کانالهای MHD از دیدگاههای اقتصادی و آلودگی ضروری به نظر میرسد.
5مفاهیم. اولیّه و معادلات MHD
کانال شار4MHD، یک منبع جریان مستقیم است که میتواند مستقیماً به یک مصرفکننده خارجی و یا به یک وارونساز توان مطلوب5 برای تولید جریان متناوب متصل شود. قبل از تحلیل کانال MHD،مختصراً رفتار الکترون را در یک گاز یونیزه و در حضور میدانهای الکترومغناطیسی مورد توجّه قرار میدهیم.
.5.1 رفتار الکترون در حضور میدان مغناطیسی
اتمها، یونها و الکترونها در یک گاز در حالت تعادل یا نزدیک به آن، دارای حرکت تصادفی هستند. در هر موقعیت فضایی مفروض سرعت آنها حول سرعت متوسط توزیع شده که با افزایش دمای موضعی، افزایش مییابد. فقط یکی از این الکترونهای متحرک را در نظر بگیرید که بدون هیچ برخوردی، در صفحهای عمود بر میدان مغناطیسی یکنواخت مطابق شکل - 2 - حرکت میکند. نیروی اعمالی بر یک بار مثبت در میدان مغناطیسی، با حاصلضرب بار ، سرعت و بزرگی میدان مغناطیسی متناسب است
